Um novo estudo mostra que as plantas utilizam os seus relógios circadianos para regular as respostas às mudanças na água e na salinidade, oferecendo um novo caminho para a criação de cultivares resistentes à seca.

   As alterações climáticas já estão a prejudicar os rendimentos agrícolas e podem um dia representar uma ameaça significativa ao abastecimento alimentar mundial. A engenharia de culturas mais resilientes, incluindo aquelas capazes de prosperar face à seca ou aos elevados níveis de salinidade do solo, é uma necessidade cada vez mais urgente.

   Um novo estudo da Escola de Medicina Keck da USC, financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde, revela detalhes sobre como as plantas regulam as suas respostas ao stress que podem ser cruciais para esses esforços. Os pesquisadores descobriram que as plantas usam seus relógios circadianos para responder às mudanças nos níveis externos de água e sal ao longo do dia. Esse mesmo circuito – um elegante ciclo de feedback controlado por uma proteína conhecida como ABF3 – também ajuda as plantas a se adaptarem a condições extremas, como a seca. Os resultados acabaram de ser publicados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

   “O resultado final é que as plantas estão presas no lugar. Elas não podem correr e beber água. Eles não podem ir para a sombra quando querem ou para longe do solo que contém excesso de sal. Por causa disso, elas evoluíram para usar seus relógios circadianos para medir e se adaptar perfeitamente ao seu ambiente”, disse o autor sênior do estudo, Steve A. Kay, PhD, professor universitário e reitor de neurologia, engenharia biomédica e biologia computacional quantitativa na da Escola de Medicina Keck e Diretor do Centro Michelson de Biociências Convergentes da USC.

   As descobertas baseiam-se numa longa linha de investigação do laboratório de Kay sobre o papel das proteínas do relógio circadiano em plantas e animais. As proteínas do relógio, que regulam as mudanças biológicas ao longo do dia, podem fornecer uma solução perspicaz para um desafio contínuo na engenharia agrícola. Criar plantas resistentes à seca é difícil, porque as plantas respondem ao stress retardando o seu próprio crescimento e desenvolvimento – uma resposta exagerada ao stress significa uma planta com baixo desempenho.

   “Há um equilíbrio delicado entre aumentar a tolerância ao estresse de uma planta e, ao mesmo tempo, maximizar seu crescimento e rendimento”, disse Kay. “Resolver este desafio torna-se ainda mais urgente devido às alterações climáticas.”

   Pesquisas anteriores em biologia vegetal mostraram que as proteínas do relógio regulam cerca de 90% dos genes nas plantas e são fundamentais para as suas respostas à temperatura, intensidade da luz e duração do dia, incluindo mudanças sazonais que determinam quando florescem. Mas uma grande questão pendente era se e como as proteínas do relógio controlam a forma como as plantas lidam com as mudanças nos níveis de água e salinidade do solo.

   Para explorar esta ligação, Kay e a sua equipa estudaram a Arabidopsis, uma planta comumente utilizada em pesquisas porque é pequena, tem um ciclo de vida rápido, um genoma relativamente simples e partilha características e genes comuns com muitas culturas agrícolas. Eles criaram uma biblioteca com mais de 2.000 fatores de transcrição da Arabidopsis, que são proteínas que controlam a forma como os genes são expressos em diferentes circunstâncias. Fatores de transcrição podem fornecer informações importantes sobre a regulação de processos biológicos. Os pesquisadores então construíram um pipeline de análise de dados para analisar cada fator de transcrição e procurar associações.

Imagem bioluminescente de mudas de Arabidopsis expressando genes repórteres do relógio circadiano em resposta ao estresse hídrico. Tong Liang, PhD/Laboratório Kay, USC.

   “Tivemos uma grande surpresa: muitos dos genes que o relógio regulava estavam associados às respostas à seca”, disse Kay, especialmente aqueles que controlam o hormônio ácido abscísico, um tipo de hormônio do estresse que as plantas produzem quando os níveis de água estão muito altos ou muito baixo.

   A análise revelou que os níveis de ácido abscísico são controlados pelas proteínas do relógio, bem como pelo fator de transcrição ABF3, no que Kay chama de “ciclo de feedback homeostático”. Ao longo do dia, as proteínas do relógio regulam o ABF3 para ajudar as plantas a responder às mudanças nos níveis de água, e então o ABF3 devolve informações às proteínas do relógio para manter a resposta ao estresse sob controle. Esse mesmo ciclo ajuda as plantas a adaptarem-se quando as condições se tornam extremas, por exemplo, durante uma seca. Os dados genéticos também revelaram um processo semelhante para lidar com as mudanças nos níveis de salinidade do solo.

   “O que é realmente especial neste circuito é que ele permite que a planta responda ao estresse externo enquanto mantém sua resposta ao estresse sob controle, para que possa continuar a crescer e se desenvolver”, disse Kay.

Projetando colheitas melhores

   As descobertas apontam para duas novas abordagens que podem ajudar a aumentar a resiliência das culturas. Por um lado, os melhoristas vegetais podem pesquisar e selecionar a diversidade genética que ocorre naturalmente no circuito ABF3 circadiano, o que dá às plantas uma ligeira vantagem na resposta ao estresse hídrico e salino. Mesmo um pequeno aumento na resiliência poderia melhorar substancialmente o rendimento das culturas em grande escala.

   Kay e seus colegas também planejam explorar uma abordagem de modificação genética, usando CRISPR para projetar genes que promovam o ABF3, a fim de projetar plantas altamente resistentes à seca.

   “Este poderia ser um avanço significativo na reflexão sobre como modular as plantas cultivadas para serem mais resistentes à seca”, disse Kay.

*Anais da Academia Nacional de Ciências (DOI: 10.1073/pnas.2316825121)

*The Interplay between the Circadian Clock and Abiotic Stress Responses Mediated by ABF3 and 6 CCA1/LHY